JP2018026445A - Piezoelectric element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element which improves the signal-to-noise ratio with high sensitivity by suppressing the influence of residual stress of a piezoelectric thin film and eliminating the restriction of an external shape.SOLUTION: Piezoelectric thin films 3a, 3b have a laminated structure, and in each piezoelectric thin film, a plurality of piezoelectric elements are formed having electrodes 4a1, 4a2, 4b1, 4b2, 4c1, 4c2 so as to sandwich a part thereof. Respective piezoelectric elements are arranged so as to be vertically symmetrically superposed. With this configuration, a piezoelectric voltage generated by residual stress and temperature fluctuation is offset mutually by output of the piezoelectric element vertically symmetrically superposed and the signal-to-noise ratio is improved.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は圧電素子に関し、特に、高感度、低雑音の圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric element, and more particularly to a piezoelectric element with high sensitivity and low noise.

近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。また、MEMSマイクロフォンに限らず、その他のMEMS素子が様々な分野で急速に普及してきている。   2. Description of the Related Art In recent years, smartphones whose demand has been rapidly expanding are often small-sized, thin-type microphones using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology having high-temperature processing resistance in an assembly solder reflow process. In addition to MEMS microphones, other MEMS elements are rapidly spreading in various fields.

この種のMEMS素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。   Most of this type of MEMS element is a capacitive element that detects a vibration displacement of a diaphragm due to an acoustic pressure or the like as a change in capacitance with an opposing fixed plate, converts it into an electric signal, and outputs it. However, improvement in the signal-to-noise ratio of the capacitive element is becoming a limit due to acoustic resistance generated by the flow of air in the gap between the diaphragm and the fixed plate.

そこで、圧電薄膜で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。   Therefore, attention has been paid to a piezoelectric element that can extract acoustic pressure and the like as a voltage change due to distortion of a single diaphragm formed of a piezoelectric thin film.

ところで圧電素子では、音響圧力等がない場合に圧電薄膜の残留応力や温度変動が不要な信号として出力され特性を劣化させることが知られている。そこで、圧電薄膜の一端を自由端とする片持ち梁構造を採用することによって残留応力を解放する技術が開示されている(例えば特許文献1)。   By the way, it is known that the piezoelectric element is output as an unnecessary signal in which the residual stress and temperature fluctuation of the piezoelectric thin film are unnecessary when there is no acoustic pressure or the like, thereby deteriorating the characteristics. Therefore, a technique for releasing residual stress by adopting a cantilever structure in which one end of a piezoelectric thin film is a free end is disclosed (for example, Patent Document 1).

図9に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図9に示すように、支持基板となるシリコン基板1に、絶縁膜2を介して多層構造の圧電薄膜3a、3bが固定され、圧電薄膜3aは上下から電極4aと電極4bにより、圧電薄膜3bは電極4bと電極4cによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。圧電薄膜および電極はそれぞれ長方形の平面形状を有しており、一端がシリコン基板1に固定され、他端が自由端となっている。また電極4aと電極4cは一方の配線電極5aに接続し、電極4bは別の配線金属5bに接続されている。   FIG. 9 shows a cross-sectional view of a piezoelectric element having a cantilever structure. As shown in FIG. 9, piezoelectric thin films 3a and 3b having a multilayer structure are fixed to a silicon substrate 1 serving as a support substrate via an insulating film 2, and the piezoelectric thin film 3a is formed by an electrode 4a and an electrode 4b from above and below. Has a structure sandwiched between the electrode 4b and the electrode 4c. Each of the piezoelectric thin film and the electrode has a rectangular planar shape, and one end is fixed to the silicon substrate 1 and the other end is a free end. The electrodes 4a and 4c are connected to one wiring electrode 5a, and the electrode 4b is connected to another wiring metal 5b.

このような圧電素子では、音響圧力等を受けて圧電薄膜3aが歪むとその内部に分極が起こり、電極4aに接続する配線金属5aと、電極4bに接続する配線金属5bから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電薄膜3bが歪むとその内部に分極が起こり、電極4cに接続する配線金属5aと、電極4bに接続する配線金属5bから電圧信号を取り出すことが可能となる。   In such a piezoelectric element, when the piezoelectric thin film 3a is distorted by receiving an acoustic pressure or the like, polarization occurs in the piezoelectric thin film 3a, and a voltage signal is extracted from the wiring metal 5a connected to the electrode 4a and the wiring metal 5b connected to the electrode 4b. Is possible. Similarly, when the piezoelectric thin film 3b is distorted, polarization occurs therein, and a voltage signal can be extracted from the wiring metal 5a connected to the electrode 4c and the wiring metal 5b connected to the electrode 4b.

ところで、片持ち梁構造とすることで圧電薄膜の残留応力が解放されるが、その結果圧電薄膜が反り、隣接する圧電薄膜の間隙(梁間ギャップG)や圧電薄膜(梁)側面と支持基板の実質的間隙の寸法が広がってしまう。このような設計値以上の間隙の発生は、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。   By the way, although the residual stress of the piezoelectric thin film is released by adopting the cantilever structure, as a result, the piezoelectric thin film warps, and the gap between the adjacent piezoelectric thin films (gap between beams G), the side surface of the piezoelectric thin film (beam) and the support substrate The size of the substantial gap increases. The generation of such a gap exceeding the design value reduces acoustic resistance when the piezoelectric element is used as a microphone, leading to characteristic deterioration such as low frequency sensitivity reduction.

そこでこの問題を解消するため、圧電薄膜の形状を長方形とする代わりに三角形とし、例えば4個の三角形のそれぞれの頂点が中心に位置するように配置とすることで、圧電薄膜が反った場合でも、隣接する圧電薄膜にも同様の反りが発生し、結果的に隣接する圧電薄膜の間隙の寸法を大きく変化させない技術が開示されている(特許文献2)。   Therefore, in order to solve this problem, the shape of the piezoelectric thin film is a triangle instead of a rectangle, and for example, by arranging so that the apex of each of the four triangles is located at the center, even if the piezoelectric thin film warps A technique is also disclosed in which similar warpage occurs in adjacent piezoelectric thin films, and as a result, the size of the gap between adjacent piezoelectric thin films is not significantly changed (Patent Document 2).

特許第5707323号公報Japanese Patent No. 5707323 特表2014−515214号公報Special table 2014-515214 gazette

圧電薄膜の残留応力に起因する特性劣化を防止するため、従来の圧電素子では圧電薄膜の形状を三角形とし、4個の三角形の頂点を中心に集めるように配置することで圧電薄膜の間隙の寸法を大きく変化させないことを可能とした。しかしながら、各三角形の梁それぞれの共振周波数を合わせるため、同一形状の三角形を組み合わせる必要があり、圧電型MEMS素子の外形が正方形に制限され、設計の自由度がなくなるという問題があった。本発明は、圧電薄膜の残留応力の影響を抑制するとともに外形が制限される問題を解消し、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供することを目的とする。   In order to prevent characteristic deterioration due to the residual stress of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film has a triangular shape in the conventional piezoelectric element, and is arranged so that the apexes of the four triangles are gathered at the center to thereby measure the gap of the piezoelectric thin film. It was made possible not to change greatly. However, in order to match the resonance frequency of each triangular beam, it is necessary to combine triangles having the same shape, and there is a problem that the outer shape of the piezoelectric MEMS element is limited to a square and the degree of design freedom is lost. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element that suppresses the influence of residual stress of a piezoelectric thin film and solves the problem that the outer shape is limited, and has high sensitivity and improved signal-to-noise ratio.

上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、支持基板に両端が固定された圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、前記圧電薄膜は、少なくとも第1の圧電薄膜と第2の圧電薄膜を含む積層構造からなることと、前記第1の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第1の圧電素子、第2の圧電素子および第3の圧電素子が形成されていることと、前記第2の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第4の圧電素子、第5の圧電素子および第6の圧電素子が形成されていることと、前記第1の圧電素子、第2の圧電素子および前記第3の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、前記第4の圧電素子、前記第5の圧電素子および第6の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子、あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子の組の圧電素子が並列に接続し、前記並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子が上下対称に積層形成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application is a piezoelectric element comprising: a piezoelectric thin film having both ends fixed to a support substrate; and a pair of electrodes disposed with the piezoelectric thin film interposed therebetween. Comprises a laminated structure including at least a first piezoelectric thin film and a second piezoelectric thin film, and includes a plurality of sets of the pair of electrodes arranged with a part of the first piezoelectric thin film interposed therebetween, wherein at least the first A piezoelectric element, a second piezoelectric element, and a third piezoelectric element; and a plurality of the pair of electrodes arranged with a part of the second piezoelectric thin film interposed therebetween, and at least a fourth piezoelectric element. An element, a fifth piezoelectric element, and a sixth piezoelectric element are formed, and the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element are connected from one end side to the other end of the both ends. Arranged side by side in order, and 4 piezoelectric elements, the fifth piezoelectric element, and the sixth piezoelectric element are arranged in order from one end side to the other end side of the both ends, and the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element. The piezoelectric element of the element, the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element, or the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element is connected in parallel, and the parallel connected piezoelectric elements are in series. And the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element are laminated in a vertically symmetrical manner, and the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element are laminated in a vertically symmetrical manner. The third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element are stacked in a vertically symmetrical manner.

本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の圧電素子において、前記第1乃至第6の圧電素子は、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子と前記第3の圧電素子が直列に接続し、前記第4の圧電素子と前記第5の圧電素子と前記第6の圧電素子が直列に接続し、前記直列に接続した2組の圧電素子が並列に接続していることを特徴とする   The invention according to claim 2 of the present application is the piezoelectric element according to claim 1, wherein the first to sixth piezoelectric elements are the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element. The fourth piezoelectric element, the fifth piezoelectric element and the sixth piezoelectric element are connected in series, and the two sets of piezoelectric elements connected in series are connected in parallel. Characterize

本願請求項3に係る発明は、請求項1又は2いずれか記載の圧電素子において、前記並列に接続した圧電素子の組は、前記第1の圧電薄膜あるいは前記第2の圧電薄膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により直列接続されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 of the present application is the piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein the set of the piezoelectric elements connected in parallel includes the front surface and the back surface of the first piezoelectric thin film or the second piezoelectric thin film. Or it is connected in series by the extension part which continues from the electrode of the said piezoelectric element arrange | positioned between films | membranes, It is characterized by the above-mentioned.

本願請求項4に係る発明は、請求項1乃至3いずれか記載の圧電素子において、振動により前記圧電薄膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする。   The invention according to claim 4 of the present application is the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein when the piezoelectric thin film is bent and displaced by vibration, at least the region divided by the inflection point of the displacement Any of the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element, the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element, or the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element, which are stacked in a vertically symmetrical manner. Is arranged.

本願請求項5に係る発明は、請求項1乃至4いずれか記載の圧電素子において、前記圧電薄膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 5 of the present application is the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric thin film is a film that vibrates due to an acoustic pressure.

本発明の圧電素子は、第1の圧電薄膜に形成する圧電素子と第2の圧電薄膜に形成する圧電素子とを上下対称に重なり合うように配置することで、重なり合う圧電薄膜の残留応力や温度変動に起因して発生する圧電電圧を相互に相殺して圧電薄膜の残留応力の影響を低減した上で、音響圧力等によって生じる第1の圧電薄膜による圧電電圧と第2の圧電薄膜による圧電電圧を重畳させることで出力信号のレベルを上げることを可能としている。   According to the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric element formed on the first piezoelectric thin film and the piezoelectric element formed on the second piezoelectric thin film are arranged so as to overlap vertically. The piezoelectric voltage generated due to the above is canceled out to reduce the influence of the residual stress of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric voltage generated by the first piezoelectric thin film and the piezoelectric voltage generated by the second piezoelectric thin film caused by the acoustic pressure are By superimposing, it is possible to increase the level of the output signal.

また本発明によれば、圧電薄膜の両端を支持基板に固定する両持ち梁構造とすることで、圧電薄膜が大きく変形することが抑えられ、その形状も正方形に限定されず、設計の自由度を確保することを可能としている。   In addition, according to the present invention, the piezoelectric thin film is prevented from being greatly deformed by adopting a doubly-supported beam structure in which both ends of the piezoelectric thin film are fixed to the support substrate, and the shape is not limited to a square, and the degree of freedom in design It is possible to ensure.

さらにまた本発明によれば、圧電薄膜が振動により湾曲変形する際、その変位の変曲点により区画される領域毎に第1の圧電薄膜に形成する圧電素子と第2の圧電薄膜に形成する圧電素子との組を配置することで、区画された領域毎に、梁の延伸方向で生じる引張応力領域と圧縮応力領域とでそれぞれ圧電素子を分離し、それぞれの領域で発生する電圧信号を重畳するように接続することで、効率的に電気エネルギーに変換して取り出すことが可能となる。   Furthermore, according to the present invention, when the piezoelectric thin film is curved and deformed by vibration, the piezoelectric element formed on the first piezoelectric thin film and the second piezoelectric thin film are formed for each region defined by the inflection point of the displacement. By arranging a pair with the piezoelectric element, the piezoelectric element is separated into the tensile stress area and the compressive stress area generated in the beam extension direction for each divided area, and the voltage signal generated in each area is superimposed By connecting in such a manner, it is possible to efficiently convert it into electric energy and take it out.

本発明によれば、圧電素子間の接続は圧電素子の電極を延長して行うことができ、圧電薄膜の変位に影響を与えるスルーホール等の接続手段を必要としない点でも、効率的に電気エネルギーに変換できるという利点がある。   According to the present invention, the connection between the piezoelectric elements can be performed by extending the electrodes of the piezoelectric elements, and the electrical connection can be efficiently performed in that no connection means such as a through hole that affects the displacement of the piezoelectric thin film is required. There is an advantage that it can be converted into energy.

特に、本発明の圧電素子の圧電薄膜を音響圧力によって振動する厚さに設定し、音響トランスデューサとして使用した場合、高感度で信号雑音比の改善が期待される。   In particular, when the piezoelectric thin film of the piezoelectric element of the present invention is set to a thickness that vibrates with acoustic pressure and used as an acoustic transducer, high sensitivity and improvement in signal to noise ratio are expected.

本発明の第1の実施例の圧電素子の平面図である。It is a top view of the piezoelectric element of the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例の圧電素子の断面図である。It is sectional drawing of the piezoelectric element of 1st Example of this invention. 圧電素子に音響圧力信号が印加し、圧電薄膜が変位する場合の説明図である。It is explanatory drawing when an acoustic pressure signal is applied to a piezoelectric element and a piezoelectric thin film is displaced. 信号雑音比の窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the film thickness dependence of the piezoelectric thin film which consists of aluminum nitride of a signal noise ratio. マイクロフォン特性とスリット幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a microphone characteristic and slit width. 本発明の第1の実施例の圧電素子の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the piezoelectric element of 1st Example of this invention. 信号雑音比の窒化スカンジウムアルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the film thickness dependence of the piezoelectric thin film which consists of scandium aluminum nitride of a signal noise ratio. 本発明の第2の実施例の圧電素子の断面図である。It is sectional drawing of the piezoelectric element of the 2nd Example of this invention. 従来の圧電型MEMS素子の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional piezoelectric MEMS element.

本発明の圧電素子は、支持基板に圧電薄膜の両端を固定した両持ち梁構造としている。圧電薄膜は少なくとも2層の圧電薄膜を含む積層構造とする。それぞれの圧電薄膜には、その一部を挟み込むように電極を配置した圧電素子が複数個形成され、各圧電素子を並列あるいは直列に接続する構成としている。特に本発明では、各圧電素子は上下対称に重なり合うように配置している。本発明は上記の構成とすることで、上下対称に重なり合う圧電素子の出力により残留応力や温度変動により生じる圧電電圧が相互に相殺され、信号雑音比の向上を図っている。さらにまた、上下対称に重なり合う圧電素子の組を所定の位置に配置することにより、信号を効率的に取り出すことができる構成となっている。以下、本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合を例にとり詳細に説明する。   The piezoelectric element of the present invention has a doubly supported beam structure in which both ends of a piezoelectric thin film are fixed to a support substrate. The piezoelectric thin film has a laminated structure including at least two piezoelectric thin films. Each piezoelectric thin film is formed with a plurality of piezoelectric elements having electrodes arranged so as to sandwich a part thereof, and the piezoelectric elements are connected in parallel or in series. In particular, in the present invention, the piezoelectric elements are arranged so as to overlap vertically. In the present invention, the piezoelectric voltage generated by the residual stress and the temperature fluctuation is canceled by the outputs of the piezoelectric elements that are symmetrically overlapped with each other, and the signal-to-noise ratio is improved. Furthermore, by arranging a set of piezoelectric elements that overlap vertically symmetrically at a predetermined position, a signal can be efficiently extracted. Hereinafter, the case where the piezoelectric element of the present invention is configured as an acoustic transducer will be described in detail.

図1は発明の第1の実施例の圧電素子の平面図を、図2は図1に示す圧電素子のA-A面における断面図をそれぞれ示している。図2に示すように、支持基板となるシリコン基板1上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を介して、圧電薄膜3a、3bが積層形成している。本実施例では、両持ち梁構造とするため、図1に示すように図面横方向に延びるスリット6が形成されている。圧電薄膜は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)を用いることができ、その結晶方位(圧電配向)は、積層形成されたそれぞれの圧電薄膜で同一方向となるように形成している。 FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric element according to a first embodiment of the invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric element shown in FIG. As shown in FIG. 2, piezoelectric thin films 3a and 3b are laminated on a silicon substrate 1 serving as a support substrate via an insulating film 2 made of a silicon oxide film (SiO 2 ). In this embodiment, a slit 6 extending in the horizontal direction of the drawing is formed as shown in FIG. For example, aluminum nitride (AlN) can be used as the piezoelectric thin film, and the crystal orientation (piezoelectric orientation) is formed in the same direction in each of the stacked piezoelectric thin films.

本実施例の圧電素子の構造について詳細に説明すると、圧電薄膜3aの裏面側に電極4a1と電極4a2が形成されており、電極4a1は配線電極5aに接続している。電極4a2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。また圧電薄膜3aの上面側であり圧電素子3bの下面側(膜間に相当)には、電極4b1と電極4b2が形成されており、電極4b2は配線電極5bに接続している。電極4b1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。さらに圧電薄膜3bの上面側には、電極4c1と電極4c2が形成されており、電極4c1は、配線電極5aに接続しており、電極4c2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。電極は、モリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等の金属薄膜で形成することができる。   The structure of the piezoelectric element of this embodiment will be described in detail. Electrodes 4a1 and 4a2 are formed on the back surface side of the piezoelectric thin film 3a, and the electrode 4a1 is connected to the wiring electrode 5a. The electrode 4a2 is not connected to the wiring electrode 5a and other electrodes, and is in a floating state. Electrodes 4b1 and 4b2 are formed on the upper surface side of the piezoelectric thin film 3a and on the lower surface side (corresponding to the space between the films) of the piezoelectric element 3b, and the electrode 4b2 is connected to the wiring electrode 5b. The electrode 4b1 is not connected to the wiring electrode 5b and other electrodes and is in a floating state. Furthermore, an electrode 4c1 and an electrode 4c2 are formed on the upper surface side of the piezoelectric thin film 3b. The electrode 4c1 is connected to the wiring electrode 5a, and the electrode 4c2 is not connected to the wiring electrode 5a or other electrodes. , Floating. The electrode can be formed of a metal thin film such as molybdenum (Mo), platinum (Pt), titanium (Ti), iridium (Ir), or ruthenium (Ru).

このように構成すると、電極4a1、圧電薄膜3a(第1の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C1(第1の圧電素子に相当)が形成される。同様に、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C2(第2の圧電素子に相当)、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なり合う領域で圧電素子C3(第3の圧電素子に相当)が、電極4c1、圧電薄膜3b(第2の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C4(第4の圧電素子に相当)、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4b1が重なりある領域で圧電素子C5(第5の圧電素子に相当)、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4b2が重なりある領域で圧電素子C6(第6の圧電素子に相当)が形成される。   With this configuration, the piezoelectric element C1 (corresponding to the first piezoelectric element) is formed in a region where the electrode 4a1, the piezoelectric thin film 3a (corresponding to the first piezoelectric thin film) and the electrode 4b1 overlap. Similarly, in the region where the electrode 4a2, the piezoelectric thin film 3a and the electrode 4b1 overlap, the piezoelectric element C2 (corresponding to the second piezoelectric element), and in the region where the electrode 4a2, the piezoelectric thin film 3a and the electrode 4b2 overlap, the piezoelectric element C3 (third piezoelectric element). In the region where the electrode 4c1, the piezoelectric thin film 3b (corresponding to the second piezoelectric thin film) and the electrode 4b1 overlap, the electrode 4c2, the piezoelectric thin film 3b and the electrode 4b1 The piezoelectric element C5 (corresponding to the fifth piezoelectric element) and the piezoelectric element C6 (corresponding to the sixth piezoelectric element) are formed in the area where the electrode 4c2, the piezoelectric thin film 3b and the electrode 4b2 overlap.

その結果、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4とが並列接続し、第2の圧電素子C2と第3の圧電素子C3の直列接続と第5の圧電素子C5と第6の圧電素子C6の直列接続とが並列接続する構成となり、配線電極5aと配線金属5bとの間に、これら並列接続された圧電素子が直列に接続した構成となっている。   As a result, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4 are connected in parallel, the second piezoelectric element C2 and the third piezoelectric element C3 are connected in series, the fifth piezoelectric element C5 and the sixth piezoelectric element. The element C6 is connected in series with the series connection, and the piezoelectric elements connected in parallel are connected in series between the wiring electrode 5a and the wiring metal 5b.

ここで、例えば第1の圧電素子C1と第2の圧電素子C2は、圧電素子を構成する電極4b1を共通に使用することで、対向する電極(それぞれ電極4a1、4a2)と重なり合っていない電極4b1の領域(延長部に相当)によって接続している。同様に第4の圧電素子C4と第5の圧電素子C5は、圧電素子を構成する電極4b1を共通に使用することで、対向する電極(それぞれ電極4c1、4c2)と重なり合っていない電極4b1の領域(延長部に相当)によって接続している。また第2の圧電素子C2と第3の圧電素子C3とは電極4a2により、第5の圧電素子C5と第6の圧電素子C6とは電極4c2により、それぞれ対向する電極と重なり合っていない電極4a2(延長部に相当)によって、あるいは電極4c2領域(延長部に相当)によってそれぞれ接続している。このような接続とすることで、圧電薄膜内にスルーホール等の圧電薄膜の変位に影響を与える接続手段を形成する必要がなくなる。   Here, for example, the first piezoelectric element C1 and the second piezoelectric element C2 use the electrode 4b1 constituting the piezoelectric element in common, so that the electrodes 4b1 that do not overlap with the opposing electrodes (electrodes 4a1 and 4a2 respectively). Are connected by the region (corresponding to the extension). Similarly, the fourth piezoelectric element C4 and the fifth piezoelectric element C5 share the electrode 4b1 that constitutes the piezoelectric element, so that the region of the electrode 4b1 that does not overlap with the opposing electrodes (electrodes 4c1 and 4c2 respectively). (Corresponding to the extension). Further, the second piezoelectric element C2 and the third piezoelectric element C3 are provided by an electrode 4a2, and the fifth piezoelectric element C5 and the sixth piezoelectric element C6 are provided by an electrode 4c2 so that the electrodes 4a2 (not overlapping with the electrodes facing each other) The electrode 4c2 region (corresponding to the extension). Such connection eliminates the need to form connection means that affect the displacement of the piezoelectric thin film such as a through hole in the piezoelectric thin film.

また図2から明らかなように、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4、第2の圧電素子C2と第5の圧電素子C5、第3の圧電素子C3と第6の圧電素子C6は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、電極4b1および電極4b2の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となっている。   As is apparent from FIG. 2, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4, the second piezoelectric element C2 and the fifth piezoelectric element C5, and the third piezoelectric element C3 and the sixth piezoelectric element C6. Is vertically symmetric with respect to a plane passing through the centers of the electrodes 4b1 and 4b2 in the thickness direction at least in the region where each piezoelectric element is formed.

シリコン基板1の裏面側は、その一部を除去し空孔7が形成され、この空孔7内に電極4a1、4a2及び圧電薄膜3aが露出する構造となっている。この空孔7は、図1に示すスリット6を通して、シリコン基板1の表面側と連通している。   A part of the back surface of the silicon substrate 1 is removed to form a hole 7, and the electrodes 4 a 1, 4 a 2 and the piezoelectric thin film 3 a are exposed in the hole 7. The holes 7 communicate with the surface side of the silicon substrate 1 through the slits 6 shown in FIG.

このように構成することで本実施例の圧電素子は、シリコン基板1(支持基板)に両端が支持された圧電薄膜に複数の電極対が形成された両持ち梁構造となっている。   With this configuration, the piezoelectric element of this embodiment has a double-supported beam structure in which a plurality of electrode pairs are formed on a piezoelectric thin film supported at both ends by a silicon substrate 1 (support substrate).

本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板1に形成された空孔7から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた圧電薄膜を含む梁構造は、上方に湾曲変位する。その結果、圧電薄膜を構成する窒化アルミニウムに引張応力と圧縮応力が発生することになる。   When the piezoelectric element of the present invention is configured as an acoustic transducer, acoustic pressure is applied from the holes 7 formed in the silicon substrate 1. The beam structure including the piezoelectric thin film subjected to the acoustic pressure is curved and displaced upward. As a result, tensile stress and compressive stress are generated in the aluminum nitride constituting the piezoelectric thin film.

図3は、音響圧力信号が印加され、圧電薄膜は変位した場合の一例を示している。この場合、2つの変曲点が発生し、圧電薄膜に対する応力の向きによって3つの領域に分けられる。例えば、領域1と領域3では下向きの凸状に湾曲変位し、第1の圧電薄膜3aには引張応力が、第2の圧電薄膜3bには引張応力が発生する。一方、領域2では上向きの凸状に湾曲変位し、第1の圧電薄膜3aには圧縮応力が、第2の圧電薄膜3bには引張応力が発生する。   FIG. 3 shows an example in which an acoustic pressure signal is applied and the piezoelectric thin film is displaced. In this case, two inflection points are generated and divided into three regions depending on the direction of stress on the piezoelectric thin film. For example, the region 1 and the region 3 are bent and displaced downward, and a tensile stress is generated in the first piezoelectric thin film 3a and a tensile stress is generated in the second piezoelectric thin film 3b. On the other hand, the region 2 is curved and displaced upwardly, and compressive stress is generated in the first piezoelectric thin film 3a and tensile stress is generated in the second piezoelectric thin film 3b.

ところで、本実施例の圧電素子は、図2に示すように、圧電素子C1と圧電素子C4とが、圧電素子C2と圧電素子C3の直列接続と圧電素子C5と圧電素子C6の直列接続とが、それぞれ並列に接続しており、さらに上下対称な構造としている。そのため、各領域1〜3それぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺される。   By the way, as shown in FIG. 2, the piezoelectric element of this embodiment includes a piezoelectric element C1 and a piezoelectric element C4, a series connection of the piezoelectric element C2 and the piezoelectric element C3, and a series connection of the piezoelectric element C5 and the piezoelectric element C6. These are connected in parallel and have a vertically symmetrical structure. For this reason, the voltages generated in each of the regions 1 to 3 have opposite polarities and the same value, so that the in-phase voltage caused by the residual stress and temperature fluctuation is canceled out.

その結果、音響圧力信号が印加されることに基づく各領域の出力信号(電圧)は、残留応力や温度変動に起因する信号を含まずに重畳加算され、音響圧力(Pa)に対する出力電圧(Vout)の比(Vout/Pa)で定義される音響トランスデューサとしての感度の増大を図ることが可能となる。 As a result, the output signal (voltage) of each region based on the application of the acoustic pressure signal is superimposed and added without including a signal due to residual stress or temperature fluctuation, and the output voltage ( Ac ) for the acoustic pressure (P a ) It is possible to increase the sensitivity as an acoustic transducer defined by the ratio (V out / P a ) of V out ).

なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。これは配線電極5a、5bから見た等価的キャパシタの容量をCoutとした場合に、この等価的キャパシタに蓄えられるエネルギー(Cout・Vout 2/2)を最大化するように各電極の大きさを決めればよい。 The size of each electrode is preferably optimized from the viewpoint of maximizing the signal to noise ratio. This wiring electrodes 5a, the capacity of the equivalent capacitor as seen from 5b when the C out, of the electrodes so as to maximize the energy stored in the equivalent capacitor (C out · V out 2/ 2) Decide the size.

具体的には、長方形の両持ち梁の場合の寸法、各圧電薄膜の膜厚、電極の大きさの一設計例を示す。例えば、入力する信号が人間の音声とし、両持ち梁の共振周波数を20kHzとする。また、スマートフォンのような電子機器に搭載することを想定した平面寸法とする。両持ち梁の長さ(図1のスリットの長さに相当)を0.7mm、幅(図1の上下)を1.4mmとする。窒化アルミニウムからなる圧電薄膜3a、3bの厚さはともに0.5μm、モリブデンからなる電極4a1〜4c1、4a2〜4c2の厚さはいずれも0.1μmとする。電極4a1、4c1および4b2の支持端(空孔7の端部)からの延出長さは共に90μm、電極4b1、4a2および4c2の支持端から電極端までの長さは共に500μmとする。また、スリット6の幅は1μmとする。   Specifically, a design example of the dimensions in the case of a rectangular cantilever beam, the film thickness of each piezoelectric thin film, and the size of the electrode is shown. For example, it is assumed that the input signal is human voice and the resonance frequency of the both-end supported beam is 20 kHz. In addition, the plane dimensions are assumed to be mounted on an electronic device such as a smartphone. The length of the doubly supported beam (corresponding to the length of the slit in FIG. 1) is 0.7 mm, and the width (up and down in FIG. 1) is 1.4 mm. The thicknesses of the piezoelectric thin films 3a and 3b made of aluminum nitride are both 0.5 μm, and the thicknesses of the electrodes 4a1 to 4c1 and 4a2 to 4c2 made of molybdenum are both 0.1 μm. The extension lengths of the electrodes 4a1, 4c1 and 4b2 from the support ends (ends of the air holes 7) are both 90 μm, and the lengths from the support ends of the electrodes 4b1, 4a2 and 4c2 to the electrode ends are both 500 μm. The width of the slit 6 is 1 μm.

圧電薄膜3a、3bの厚さと両持ち梁(スリット)の長さは、次のように決定することができる。図4は、信号雑音比の窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。なお、共振周波数を一定(20kHz)とし、梁の幅は1.4mm、スリット幅は1μmとした。またスマートフォンのような電子機器に実装する際に実装筐体の大きさにより制限されることを考慮し、空孔の容積は、3mm2と比較的小さい値とした。また、スマートフォンのような小型の筐体の中に、本発明の圧電素子(音響トランスデューサ)の他に圧電素子の出力信号を処理するための増幅回路を実装する必要がある。そのため、許容される圧電素子のチップ寸法を考慮し、梁の長さは0.6mm、0.7mm、0.8mmとした場合について以下の検討を行った。 The thickness of the piezoelectric thin films 3a and 3b and the length of the cantilever beam (slit) can be determined as follows. FIG. 4 is a graph showing the dependence of the signal-to-noise ratio on the film thickness of a piezoelectric thin film made of aluminum nitride. The resonance frequency was constant (20 kHz), the beam width was 1.4 mm, and the slit width was 1 μm. In consideration of the fact that it is limited by the size of the mounting case when mounted on an electronic device such as a smartphone, the volume of the holes is set to a relatively small value of 3 mm 2 . In addition to the piezoelectric element (acoustic transducer) of the present invention, an amplifier circuit for processing the output signal of the piezoelectric element needs to be mounted in a small housing such as a smartphone. Therefore, considering the allowable chip size of the piezoelectric element, the following examination was performed when the length of the beam was 0.6 mm, 0.7 mm, and 0.8 mm.

図4に示すように、窒化アルミニウムからなる各圧電薄膜の膜厚を0.4μmより薄くした場合、信号雑音比は僅かではあるが改善する。しかしながら、空孔の音響コンプライアンスのために実質的音響電気変換係数が制限されるため、薄層化による改善効果は顕著ではなく、梁の長さに対する依存性は大きくないことがわかる。逆に圧電薄膜の厚さを厚くすると、信号雑音比は急激に低下する。また梁の長さに対する依存性も顕著となってくる。つまり、共振周波数を一定に保つためには、圧電薄膜の厚さを厚くする場合には梁の長さを長くする必要があることがわかる。図4に示す例では、圧電薄膜の厚さを0.5μmとする場合には梁の長さを0.7mmとし、圧電薄膜の厚さを0.6μmとする場合には梁の長さを0.8mmとするのが好ましいことがわかる。   As shown in FIG. 4, when the thickness of each piezoelectric thin film made of aluminum nitride is made thinner than 0.4 μm, the signal-to-noise ratio is slightly improved. However, since the substantial acoustoelectric conversion coefficient is limited due to acoustic compliance of the holes, it can be seen that the improvement effect due to the thinning is not remarkable and the dependence on the beam length is not large. On the contrary, when the thickness of the piezoelectric thin film is increased, the signal-to-noise ratio is drastically lowered. In addition, the dependence on the length of the beam becomes significant. In other words, in order to keep the resonance frequency constant, it is necessary to increase the length of the beam when the thickness of the piezoelectric thin film is increased. In the example shown in FIG. 4, when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.5 μm, the length of the beam is 0.7 mm, and when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.6 μm, the length of the beam is It can be seen that 0.8 mm is preferable.

次に、スリット幅について説明する。図5は、マイクロフォンの主要な特性の一つである1kHzの感度を基準として100Hzの感度の低下割合とスリット幅との関係を示すグラフである。上記同様に、両持ち梁の共振周波数を20kHzとし、梁の長さを0.7mm、幅を1.4mm、空孔の容積は3mm2とする。窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の厚さは0.4μm、0.5μm、0.6μmの場合について、スリット幅をとの関係を検討した。 Next, the slit width will be described. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reduction rate of the sensitivity at 100 Hz and the slit width with reference to the sensitivity of 1 kHz, which is one of the main characteristics of the microphone. In the same manner as described above, the resonance frequency of the both-end supported beam is 20 kHz, the length of the beam is 0.7 mm, the width is 1.4 mm, and the volume of the holes is 3 mm 2 . When the thickness of the piezoelectric thin film made of aluminum nitride was 0.4 μm, 0.5 μm, and 0.6 μm, the relationship with the slit width was examined.

図5に示すように、圧電薄膜の厚さに対する依存性はほとんど見られず、スリット幅が1μmを超えると100Hzでの感度低下が顕著となってくる。周波数を100Hzより下げるとこの感度低下はさらに激しくなる。つまり、低周波数での感度低下を抑えるためには、スリット幅を1μm以下にする必要があることがわかる。   As shown in FIG. 5, almost no dependence on the thickness of the piezoelectric thin film is observed, and when the slit width exceeds 1 μm, the sensitivity decrease becomes significant at 100 Hz. When the frequency is lowered below 100 Hz, this sensitivity reduction becomes more serious. That is, it can be seen that the slit width needs to be 1 μm or less in order to suppress the decrease in sensitivity at a low frequency.

以上のように、感度の増大を図るため、両持ち梁の長さや圧電薄膜の厚さ、スリット幅等を適宜調整して設定すればよい。   As described above, in order to increase the sensitivity, the length of the doubly supported beam, the thickness of the piezoelectric thin film, the slit width, and the like may be appropriately adjusted and set.

本発明の圧電素子は、通常の半導体装置の製造方法を用いて形成することができる。図6は、本実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。まず、シリコン基板1上に熱酸化法によりシリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を形成する。絶縁膜2上に、厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4a1と電極4a2を形成する(図6a)。 The piezoelectric element of the present invention can be formed using a normal method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 6 is an explanatory diagram of a method of manufacturing the piezoelectric element of this example. First, an insulating film 2 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the silicon substrate 1 by a thermal oxidation method. A molybdenum (Mo) film having a thickness of 0.1 μm is stacked on the insulating film 2 by a sputtering method, and patterning is performed by an ordinary lithographic method, thereby forming electrodes 4a1 and 4a2 (FIG. 6a).

その後全面に、厚さ0.5μmの窒化アルミニウム膜をスパッタ法により積層し、第1の圧電薄膜に相当する圧電薄膜3aを形成する。その後、圧電薄膜3a上に、厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4b1と電極4b2を形成する。さらに全面に、厚さ0.5μmの窒化アルミニウム膜をスパッタ法により積層し、第2の圧電薄膜に相当する圧電薄膜3bを形成する。厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4c1と電極4c2を形成する(図6b)。   Thereafter, an aluminum nitride film having a thickness of 0.5 μm is laminated on the entire surface by sputtering to form a piezoelectric thin film 3a corresponding to the first piezoelectric thin film. Thereafter, a molybdenum (Mo) film having a thickness of 0.1 μm is laminated on the piezoelectric thin film 3a by sputtering, and patterning is performed by an ordinary lithographic method, thereby forming the electrodes 4b1 and 4b2. Further, an aluminum nitride film having a thickness of 0.5 μm is laminated on the entire surface by sputtering to form a piezoelectric thin film 3b corresponding to the second piezoelectric thin film. A molybdenum (Mo) film having a thickness of 0.1 μm is laminated by sputtering, and patterned by an ordinary lithographic method to form electrodes 4c1 and 4c2 (FIG. 6b).

圧電薄膜3a、3bの一部をエッチング除去し、電極4a1と電極4c1に接続する配線電極5aと、電極4b2に接続する配線電極5bを形成する。この配線電極5a、5bはアルミニウムからなり、通常のリソグラフ法により形成することができる(図6c)。
圧電薄膜3a、3bの一部をエッチング除去する際、図1に示すスリット6に相当する部分の圧電薄膜3a、3bの一部もエッチング除去して凹部を形成し、その底部に絶縁膜2を露出させておく。
A part of the piezoelectric thin films 3a and 3b is removed by etching to form a wiring electrode 5a connected to the electrodes 4a1 and 4c1 and a wiring electrode 5b connected to the electrode 4b2. The wiring electrodes 5a and 5b are made of aluminum and can be formed by a normal lithographic method (FIG. 6c).
When a part of the piezoelectric thin films 3a and 3b is removed by etching, a part of the piezoelectric thin films 3a and 3b corresponding to the slit 6 shown in FIG. 1 is also removed by etching to form a recess, and the insulating film 2 is formed on the bottom thereof. Leave it exposed.

最後に、シリコン基板1の裏面の一部をドライエッチング法により除去し、露出する絶縁膜2の一部も除去することにより空孔7を形成する。空孔7内には、先に形成した電極4a1、電極4b1および圧電薄膜3aの一部を露出させる。この空孔7の形成により、スリット6を形成するために形成した凹部の底部に露出する絶縁膜2も除去され、圧電薄膜の表面側と裏面側とが貫通したスリット6が形成される。このスリット6により、圧電薄膜は、両持ち梁構造となる(図6d)。   Finally, a part of the back surface of the silicon substrate 1 is removed by a dry etching method, and a part of the exposed insulating film 2 is also removed to form a hole 7. A part of the electrode 4a1, the electrode 4b1, and the piezoelectric thin film 3a previously formed is exposed in the hole 7. By forming the holes 7, the insulating film 2 exposed at the bottom of the recess formed to form the slit 6 is also removed, and the slit 6 is formed through the front surface side and the back surface side of the piezoelectric thin film. Due to the slit 6, the piezoelectric thin film has a double-supported beam structure (FIG. 6d).

以上、本実施例の圧電素子とその製造方法について説明したが、本発明は、圧電薄膜として窒化アルミニウムに限定されるものでないことは言うまでもない。表1は、代表的な圧電材料である窒化アルミニウム、窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)について圧電型マイクロフォンの特性に影響を与えるヤング率、横圧電歪係数などの材料定数を比較した表である。
Although the piezoelectric element and the manufacturing method thereof according to the present embodiment have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to aluminum nitride as the piezoelectric thin film. Table 1 shows the effects of piezoelectric microphones on typical piezoelectric materials such as aluminum nitride, scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N), zinc oxide (ZnO), and lead zirconate titanate (PZT). 3 is a table comparing material constants such as Young's modulus and lateral piezoelectric strain coefficient.

Figure 2018026445
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表1に示す信号雑音比に対応する性能指数(FOM)は、結合係数(k31 2)と損失角(tanδ)の比で表され、その値が大きい程、その値にほぼ比例した形で信号雑音比の向上が期待できる。表1に示すように、酸化亜鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛に比べると窒化アルミニウムは6〜40倍性能指数が大きく、圧電トランスデューサに適した材料であることがわかる。また、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN)は、窒化アルミニウムより横圧電歪係数が向上することが知られており、例えば、スカンジウムの比率を35%にした場合、性能指数が窒化アルミニウムより7倍程度向上することが期待できる。 The figure of merit (FOM) corresponding to the signal-to-noise ratio shown in Table 1 is represented by the ratio of the coupling coefficient (k 31 2 ) and the loss angle (tan δ). The larger the value, the more nearly proportional to the value. An improvement in signal to noise ratio can be expected. As shown in Table 1, it can be seen that aluminum nitride is 6 to 40 times larger in performance index than zinc oxide and lead zirconate titanate, and is suitable for piezoelectric transducers. Also, scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N) obtained by adding scandium to aluminum nitride is known to have a higher transverse piezoelectric strain coefficient than aluminum nitride. For example, the ratio of scandium was set to 35%. In this case, it can be expected that the figure of merit is improved about 7 times that of aluminum nitride.

図7は、信号雑音比の窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN:x=0.35)からなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。図4に示す窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフと比較すると、性能指数の7倍に相当する約8dBの信号雑音比の改善が期待できることがわかる。なお、膜厚依存性については、圧電薄膜の種類によらず同様の傾向を示すことも確認できた。具体的には、圧電薄膜の厚さを0.4μmとする場合には、梁の長さを0.6mm、圧電薄膜の厚さを0.6μmとする場合には梁の長さを0.7mm、圧電薄膜の厚さを0.7μmとする場合には梁の長さを0.8mmとするのが好ましいことがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the dependence of the signal-to-noise ratio on the film thickness of a piezoelectric thin film made of scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N: x = 0.35). When compared with the graph showing the film thickness dependence of the piezoelectric thin film made of aluminum nitride shown in FIG. 4, it can be seen that an improvement in signal-to-noise ratio of about 8 dB corresponding to 7 times the figure of merit can be expected. In addition, about the film thickness dependence, it has also confirmed that the same tendency was shown irrespective of the kind of piezoelectric thin film. Specifically, when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.4 μm, the length of the beam is 0.6 mm, and when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.6 μm, the length of the beam is 0.00 mm. When the thickness of the piezoelectric thin film is 7 μm and 7 μm, it is understood that the length of the beam is preferably 0.8 mm.

次に本発明の第2の実施例について説明する。図8は本発明の第2の実施例の圧電素子の断面図である。先に説明した図2に示す圧電素子と比較して、誘電体膜8、電極4d1および電極4d2等を備えている点で相違している。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a sectional view of a piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention. Compared with the piezoelectric element shown in FIG. 2 described above, it differs in that it includes a dielectric film 8, an electrode 4d1, an electrode 4d2, and the like.

すなわち、図8に示すように、支持基板となるシリコン基板1上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を介して、圧電薄膜3a、誘電体膜8および圧電薄膜3bが積層形成されている。本実施例では、両持ち梁構造とするため、前述の図1で説明したように図面横方向に延びるスリット6が形成されている。圧電薄膜は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)を用いることができ、その結晶方位(圧電配向)は、同一方向となるように形成している。 That is, as shown in FIG. 8, a piezoelectric thin film 3a, a dielectric film 8 and a piezoelectric thin film 3b are laminated on an insulating film 2 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) on a silicon substrate 1 serving as a support substrate. Has been. In this embodiment, in order to have a double-supported beam structure, the slit 6 extending in the lateral direction of the drawing is formed as described with reference to FIG. For example, aluminum nitride (AlN) can be used for the piezoelectric thin film, and the crystal orientation (piezoelectric orientation) is formed in the same direction.

本実施例の圧電素子は、圧電薄膜3aの裏面側に電極4a1と電極4a2が形成されており、電極4a1は、配線電極5aに接続している。電極4a2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。また圧電薄膜3aの上面側には、電極4b1と電極4b2が形成されており、電極4b2は、配線電極5bに接続している。電極4b1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。   In the piezoelectric element of this embodiment, an electrode 4a1 and an electrode 4a2 are formed on the back side of the piezoelectric thin film 3a, and the electrode 4a1 is connected to the wiring electrode 5a. The electrode 4a2 is not connected to the wiring electrode 5a and other electrodes, and is in a floating state. An electrode 4b1 and an electrode 4b2 are formed on the upper surface side of the piezoelectric thin film 3a, and the electrode 4b2 is connected to the wiring electrode 5b. The electrode 4b1 is not connected to the wiring electrode 5b and other electrodes and is in a floating state.

圧電薄膜3aおよび電極4b1、4b2上に、誘電体膜8が積層され、誘電体膜8上に電極4d1と電極4d2が形成されている。この電極4d1、4d2は、先に形成した電極4b1、4b2と同一の形状となっている。また電極4d2は、配線電極5bに接続し、電極4d1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている点も同一である。   A dielectric film 8 is laminated on the piezoelectric thin film 3a and the electrodes 4b1, 4b2, and an electrode 4d1 and an electrode 4d2 are formed on the dielectric film 8. The electrodes 4d1 and 4d2 have the same shape as the previously formed electrodes 4b1 and 4b2. The electrode 4d2 is connected to the wiring electrode 5b, and the electrode 4d1 is not connected to the wiring electrode 5b or other electrodes, and is in a floating state.

具体的には、誘電体膜8の上面側であり圧電素子3bの下面側(膜間に相当)には、電極4d1と電極4d2が形成されており、電極4d2は、配線電極5bに接続している。電極4d1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。さらに圧電薄膜3bの上面側には、電極4c1と電極4c2が形成されており、電極4c1は、配線電極5aに接続しており、電極4c2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。電極は、モリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等の金属薄膜で形成することができる。   Specifically, an electrode 4d1 and an electrode 4d2 are formed on the upper surface side of the dielectric film 8 and on the lower surface side (corresponding to the space between the films) of the piezoelectric element 3b. The electrode 4d2 is connected to the wiring electrode 5b. ing. The electrode 4d1 is not connected to the wiring electrode 5b and other electrodes and is in a floating state. Furthermore, an electrode 4c1 and an electrode 4c2 are formed on the upper surface side of the piezoelectric thin film 3b. The electrode 4c1 is connected to the wiring electrode 5a, and the electrode 4c2 is not connected to the wiring electrode 5a or other electrodes. , Floating. The electrode can be formed of a metal thin film such as molybdenum (Mo), platinum (Pt), titanium (Ti), iridium (Ir), or ruthenium (Ru).

このように構成すると、電極4a1、圧電薄膜3a(第1の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C1(第1の圧電素子に相当)が形成される。同様に、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なりある領域で圧電素子C2(第2の圧電素子に相当)が、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なり合う領域で圧電素子C3(第3の圧電素子に相当)が、電極4c1、圧電薄膜3b(第2の圧電薄膜に相当)および電極4d1が重なり合う領域で圧電素子C4(第4の圧電素子に相当)が、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4d1が重なりある領域で圧電素子C5(第5の圧電素子に相当)が、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4d2が重なりある領域で圧電素子C6(第6の圧電素子に相当)が形成される。   With this configuration, the piezoelectric element C1 (corresponding to the first piezoelectric element) is formed in a region where the electrode 4a1, the piezoelectric thin film 3a (corresponding to the first piezoelectric thin film) and the electrode 4b1 overlap. Similarly, in the region where the electrode 4a2, the piezoelectric thin film 3a and the electrode 4b2 overlap, the piezoelectric element C2 (corresponding to the second piezoelectric element), and in the region where the electrode 4a2, the piezoelectric thin film 3a and the electrode 4b2 overlap, the piezoelectric element C3 (third In the region where the electrode 4c1, the piezoelectric thin film 3b (corresponding to the second piezoelectric thin film) and the electrode 4d1 overlap, the piezoelectric element C4 (corresponding to the fourth piezoelectric element) is the electrode 4c2, and the piezoelectric thin film 3b. The piezoelectric element C5 (corresponding to the fifth piezoelectric element) is formed in the area where the electrode 4d1 overlaps, and the piezoelectric element C6 (corresponding to the sixth piezoelectric element) is formed in the area where the electrode 4c2, the piezoelectric thin film 3b and the electrode 4d2 overlap. Is done.

その結果、配線電極5aと配線金属5bとの間に、第1の圧電素子C1、第2の圧電素子C2および第3の圧電素子C3が直列接続する構成となる。同様に配線電極5aと配線金属5bに間に、第4の圧電素子C4、第5の圧電素子C5および第6の圧電素子C6が直列接続する構成となる。さらにこれらの直列接続された圧電素子の組が、並列接続した構成ともなっている。   As a result, the first piezoelectric element C1, the second piezoelectric element C2, and the third piezoelectric element C3 are connected in series between the wiring electrode 5a and the wiring metal 5b. Similarly, the fourth piezoelectric element C4, the fifth piezoelectric element C5, and the sixth piezoelectric element C6 are connected in series between the wiring electrode 5a and the wiring metal 5b. Further, a set of these piezoelectric elements connected in series is connected in parallel.

このように形成しても、図8から明らかなように、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4、第2の圧電素子C2と第5の圧電素子C5、第3の圧電素子C3と第6の圧電素子C6は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、誘電体膜8の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となる構造となっている。   Even if formed in this way, as is apparent from FIG. 8, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4, the second piezoelectric element C2 and the fifth piezoelectric element C5, and the third piezoelectric element C3. The sixth piezoelectric element C6 has a structure that is vertically symmetrical with respect to a plane that passes through the center of the dielectric film 8 in the thickness direction at least in a region where each piezoelectric element is formed.

シリコン基板1の裏面側には、その一部を除去された空孔7が形成され、この空孔7内に電極4a1、4a2及び圧電薄膜3aが露出する構造となっている。この空孔7は、図1に示すスリット6を通して、シリコン基板1の表面側と連通している。   On the back surface side of the silicon substrate 1, a hole 7 from which a part thereof is removed is formed, and the electrodes 4a1, 4a2 and the piezoelectric thin film 3a are exposed in the hole 7. The holes 7 communicate with the surface side of the silicon substrate 1 through the slits 6 shown in FIG.

このように構成することで本実施例の圧電素子でも、シリコン基板1(支持基板)に両端が支持された圧電薄膜に複数の電極対が形成された両持ち梁構造とすることができる。   With this configuration, the piezoelectric element according to the present embodiment can also have a double-supported beam structure in which a plurality of electrode pairs are formed on a piezoelectric thin film supported at both ends by a silicon substrate 1 (support substrate).

本実施例の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板1に形成された空孔7から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた圧電薄膜を含む梁構造は、上方に湾曲変位する。その結果、圧電薄膜を構成する窒化アルミニウムに引張応力と圧縮応力が発生することになる。   When the piezoelectric element of this embodiment is configured as an acoustic transducer, an acoustic pressure is applied from the holes 7 formed in the silicon substrate 1. The beam structure including the piezoelectric thin film subjected to the acoustic pressure is curved and displaced upward. As a result, tensile stress and compressive stress are generated in the aluminum nitride constituting the piezoelectric thin film.

しかし、第1の実施例同様、圧電素子C1と圧電素子C4が、圧電素子C2と圧電素子C5が、圧電素子C3と圧電素子C6が、それぞれ上下対称な構造となっているため、図2で説明した場合と同様に、各領域それぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺することが可能となる。   However, as in the first embodiment, the piezoelectric element C1 and the piezoelectric element C4, the piezoelectric element C2 and the piezoelectric element C5, and the piezoelectric element C3 and the piezoelectric element C6 have a vertically symmetrical structure, respectively. Similarly to the case described, the voltages generated in the respective regions have opposite polarities and the same value, so that the in-phase voltage caused by the residual stress and temperature fluctuation can be canceled out.

その結果、音響圧力信号が印加されることに基づく各領域の出力信号(電圧)は、残留応力や温度変動に起因する信号を含まずに重畳加算され、音響圧力(Pa)に対する出力電圧(Vout)の比(Vout/Pa)で定義される音響トランスデューサとしての感度の増大を図ることが可能となる。特に積層構造の最上層の圧電薄膜3bと最下層の圧電薄膜3aから圧電信号を取り出す構成となり、応力が相対的に大きな部分から圧電信号を取り出すため、信号雑音比はさらに改善されることが期待される。 As a result, the output signal (voltage) of each region based on the application of the acoustic pressure signal is superimposed and added without including a signal due to residual stress or temperature fluctuation, and the output voltage ( Ac ) for the acoustic pressure (P a ) It is possible to increase the sensitivity as an acoustic transducer defined by the ratio (V out / P a ) of V out ). In particular, the piezoelectric signal is extracted from the uppermost piezoelectric thin film 3b and the lowermost piezoelectric thin film 3a of the laminated structure, and the piezoelectric signal is extracted from a portion where the stress is relatively large, so that the signal-to-noise ratio is expected to be further improved. Is done.

なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。これは配線電極5a、5bから見た等価的キャパシタの容量をCoutとした場合に、この等価的キャパシタに蓄えられるエネルギー(Cout・Vout 2/2)を最大化するように各電極の大きさを決めればよいことも同様である。また、誘電体膜の厚さや材質は、所望の特性を得るために適宜選択すればよい。誘電体膜は窒化アルミニウムであっても良い。窒化アルミニウムを三層積層する場合には、それぞれの厚さは、0.33μmとすればよい。 The size of each electrode is preferably optimized from the viewpoint of maximizing the signal to noise ratio. This wiring electrodes 5a, the capacity of the equivalent capacitor as seen from 5b when the C out, of the electrodes so as to maximize the energy stored in the equivalent capacitor (C out · V out 2/ 2) The same applies to the determination of the size. In addition, the thickness and material of the dielectric film may be appropriately selected in order to obtain desired characteristics. The dielectric film may be aluminum nitride. When three layers of aluminum nitride are stacked, the thickness of each layer may be 0.33 μm.

圧電薄膜の振動により湾曲変位するとき、変位の変曲点が2以上となるような場合には、上記実施例に限定されず、変曲点により区画される領域毎に圧電素子の数を増やしたり、各領域に複数の素子を配置するようにしても良い。   When bending inflection is caused by vibration of the piezoelectric thin film, if the inflection point of the displacement is 2 or more, the present invention is not limited to the above embodiment, and the number of piezoelectric elements is increased for each region defined by the inflection point. Alternatively, a plurality of elements may be arranged in each region.

ところで、本発明のような圧電素子を音響トランスデューサとして使用する場合、圧電素子から出力される信号を処理するための増幅回路が必要となる。一般的には別のシリコン基板上に集積回路を形成し、それぞれ別々の素子として実装基板に搭載される。本発明の圧電素子は、支持基板に例えば信号処理のための素子を形成しても何ら問題ない。その場合、圧電薄膜は層間絶縁膜として使用し、電極を配線金属して使用すれば良い。   By the way, when the piezoelectric element as in the present invention is used as an acoustic transducer, an amplification circuit for processing a signal output from the piezoelectric element is required. In general, an integrated circuit is formed on another silicon substrate, and each is mounted on a mounting substrate as a separate element. The piezoelectric element of the present invention has no problem even if an element for signal processing, for example, is formed on the support substrate. In that case, the piezoelectric thin film may be used as an interlayer insulating film and the electrode may be used as a wiring metal.

1:シリコン基板、2:絶縁膜、3a、3b:圧電薄膜、4a、4b、4c、4d:電極、5a、5b:配線電極、6:スリット、7:空孔、8:誘電体膜 1: silicon substrate, 2: insulating film, 3a, 3b: piezoelectric thin film, 4a, 4b, 4c, 4d: electrode, 5a, 5b: wiring electrode, 6: slit, 7: hole, 8: dielectric film

Claims (5)

支持基板に両端が固定された圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電薄膜は、少なくとも第1の圧電薄膜と第2の圧電薄膜を含む積層構造からなることと、
前記第1の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第1の圧電素子、第2の圧電素子および第3の圧電素子が形成されていることと、
前記第2の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第4の圧電素子、第5の圧電素子および第6の圧電素子が形成されていることと、
前記第1の圧電素子、第2の圧電素子および前記第3の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、
前記第4の圧電素子、前記第5の圧電素子および第6の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、
前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子、あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子の組の圧電素子が並列に接続し、前記並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、
前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子とが上下対称に積層形成されていることを特徴とする圧電素子。
In a piezoelectric element comprising a piezoelectric thin film having both ends fixed to a support substrate, and a pair of electrodes arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween,
The piezoelectric thin film has a laminated structure including at least a first piezoelectric thin film and a second piezoelectric thin film;
A plurality of the pair of electrodes arranged with a part of the first piezoelectric thin film interposed therebetween, wherein at least a first piezoelectric element, a second piezoelectric element, and a third piezoelectric element are formed;
A plurality of the pair of electrodes arranged with a part of the second piezoelectric thin film interposed therebetween, and at least a fourth piezoelectric element, a fifth piezoelectric element, and a sixth piezoelectric element are formed;
The first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element are arranged in order from one end side to the other end side of the both ends;
The fourth piezoelectric element, the fifth piezoelectric element, and the sixth piezoelectric element are arranged in order from one end side to the other end side of the both ends;
The piezoelectric elements of the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element, the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element, or the combination of the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element are arranged in parallel. The piezoelectric elements connected in parallel are connected in series;
The first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element are laminated in a vertically symmetrical manner, the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element are laminated in a vertically symmetrical manner, and the third piezoelectric element And the sixth piezoelectric element are laminated in a vertically symmetrical manner.
請求項1記載の圧電素子において、
前記第1乃至第6の圧電素子は、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子と前記第3の圧電素子が直列に接続し、前記第4の圧電素子と前記第5の圧電素子と前記第6の圧電素子が直列に接続し、前記直列に接続した2組の圧電素子が並列に接続していることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1, wherein
The first to sixth piezoelectric elements include the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element connected in series, and the fourth piezoelectric element and the fifth piezoelectric element. And the sixth piezoelectric element are connected in series, and the two sets of piezoelectric elements connected in series are connected in parallel.
請求項1又は2いずれか記載の圧電素子において、
前記並列に接続した圧電素子の組は、前記第1の圧電薄膜あるいは前記第2の圧電薄膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により直列接続されていることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1 or 2,
The set of the piezoelectric elements connected in parallel is connected in series by an extension continuous from the electrodes of the piezoelectric elements arranged between the front surface, the back surface, or the film of the first piezoelectric thin film or the second piezoelectric thin film. A piezoelectric element characterized by comprising:
請求項1乃至3いずれか記載の圧電素子において、
振動により前記圧電薄膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3,
When the piezoelectric thin film is bent and displaced by vibration, at least the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element, which are stacked in a vertically symmetrical manner, for each region defined by the inflection point of the displacement, One of the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element or the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element is arranged.
請求項1乃至4いずれか記載の圧電素子において、
前記圧電薄膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4,
The piezoelectric element is a film that vibrates by acoustic pressure.
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